專利名稱：人工肌肉驅動的新型仿生運動機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械工程與自動化及機器人技術領域，涉及一種機電一體化裝置，特別涉及一種運用人工肌肉驅動的新型仿生運動機構。
背景技術：
人工肌肉由記憶合金(shape-memorial alloys)或電敏聚合材料(electroactive polymers，EAPs)制成。人工肌肉是當今美國、日本等發(fā)達國家正在大力發(fā)展的一種新材料。此項研究已取得了初步的成功，數種基于記憶合金或電敏聚合材料制成的人工肌肉已在美國日本等國的實驗室研制成功。但是這種新材料在各種工程領域的潛在利用價值還沒有得到足夠的重視。
人工肌肉作為一種新興的高科技材料，本身并沒有任何的功效，就好比一個孤立的電動機一樣，起不到任何的作用。它需要與相應的機械電子裝置匹配在一起之后才能發(fā)揮其作用?，F(xiàn)今科技界已經數個將人工肌肉與機電裝置相結合的設計案例。但是由于人工肌肉有別于任何其他傳統(tǒng)材料的特性，傳統(tǒng)的電機裝置并不能充分利用其優(yōu)點。而專門針對人工肌肉的特性而設計的機電裝置目前在世界范圍還處于起步階段。在中國，這方面的設計成果幾乎還處于空白狀態(tài)。
在現(xiàn)有技術中，也有一種是采用凝膠體的電化學特征，如名稱為“改進的人工管狀肌肉及其應用”的中國發(fā)明專利，其申請?zhí)枮?8106723，公開了由高分子彈性材料和纖維制成的管狀結構，纖維均勻分布在管壁中，管狀肌肉在泵的驅動下沿管軸軸向伸縮，而不產生橫向擴張；其在泵的驅動下伸縮，就可產生類似肌肉收縮或擴張的作用。在另一名稱為“人工肌肉”的中國專利申請中，其申請?zhí)枮?2133908，公開了由單束人工肌肉纖維為構成單元，整塊肌肉由多根單束人工肌肉纖維構成；而單束人工肌肉纖維由雙螺旋線圈、彈性膠、磁流變液微團構成；當雙螺旋線圈兩端通電時，單束人工肌肉纖維產生變形，產生類似肌肉收縮的效果。
上述現(xiàn)有技術中所公開的相關內容，都是關于人工肌肉的構成、原理等；都沒有人工肌肉運用的詳細描述，特別是沒有利用該種人工肌肉來制成運動機構的較詳細的技術方案，沒有利用人工肌肉在電流的作用下產生伸縮的特性來驅動該種機構的運動。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述沒有利用人工肌肉來制成運動機構的技術方案不足，提供一種由人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，特別是一種采用由記憶合金或電敏聚合材料構成的人工肌肉驅動的、可代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術中由馬達(電機)等驅動的運動機構。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，包括脈沖電源線、控制器和電源，控制器的一端與脈沖電源線的一端聯(lián)接，控制器的另一端與電源聯(lián)接，其改進之處在于還包括骨架、人工肌肉和形變感應器，所述骨架由單節(jié)或兩節(jié)或兩節(jié)以上的椎骨組成，該椎骨表面和內部有孔隙；人工肌肉的兩端分別固定在椎骨的相鄰孔隙上，并分別與脈沖電源線的另一端相聯(lián)接；形變感應器固定在骨架上，與控制器電聯(lián)接；更進一步的特征為控制器由整流裝置、單片機和集成控制電路組成，相互之間電連接；椎骨的材質為彈性材料，椎骨之間用膠粘聯(lián)接，或嵌套聯(lián)接；椎骨的材質為剛性材料，椎骨之間用鉸鏈聯(lián)接。
人工肌肉的材質為記憶合金或電敏聚合材料，人工肌肉的形狀為任意幾何性質的條形立方體。
本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)技術中使用的電動機(馬達)驅動方式，進而改為采用由記憶合金或電敏聚合材料構成的人工肌肉驅動。其優(yōu)點是人工肌肉能以比電動機更高的效率將電能轉化為機械能，消除了由電動機驅動所帶來的摩擦損耗和噪音，無污染；還有非常突出的效率高、體積小等優(yōu)點；可廣泛運用到大眾娛樂、水下搜救、工程探礦、水下偵查及水下攻擊等各個方面。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1是本運動機構結構簡圖。
圖2是本運動機構內部連接示意圖。
圖3是骨架(件1)第一種實施例結構簡圖。
圖4是骨架(件1)第二種實施例結構簡圖。
圖5是人工肌肉(件2)結構簡圖。
圖6是人工肌肉(件2)與脈沖電源線(件3)連接關系簡圖。
圖7是骨架(件1)和人工肌肉(件2)處于原始狀態(tài)結構簡圖。
圖8是骨架(件1)和人工肌肉(件2)處于變形狀態(tài)結構簡圖。
圖9是控制器(件5)內部構造示意圖。
圖10是本運動機構處于變形狀態(tài)結構簡圖(彈性骨架)。
圖11是本運動機構處于變形狀態(tài)結構簡圖(T字形剛性骨架)。
圖12是人工肌肉(件2)與骨架(件1)連接關系簡圖(T字形剛性骨架)。
圖13是人工肌肉(件2)與骨架(件1)連接關系簡圖(彈性骨架)。
圖14是骨架(件1)與多條人工肌肉(件2)連接示意圖。
圖15是本運動機構與外殼(13)(魚形外殼)的結構簡圖。
圖16是本運動機構與外殼(13)(水母形外殼)的一種結構簡圖。
圖17是本運動機構與外殼(13)(水母形外殼)的另一種結構簡圖。
具體實施例方式
附圖中1-骨架，2-人工肌肉，3-脈沖電源線，4-形變感應器，5-控制器，6-電源，7-椎骨，8-孔隙，9-鉸鏈，10-整流裝置，11-單片機，12-集成控制電路，13-外殼。
如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明仿生運動機構由骨架1、人工肌肉2、脈沖電源線3、形變感應器4、控制器5及電源6共六部分組成。附圖1、2所示為八條人工肌肉2，分別編號為S1至S8；附圖所示的椎骨7為四節(jié)，八條人工肌肉2被分別固定在骨架1的四節(jié)椎骨7兩側。每條人工肌肉2兩端分別與一條脈沖電源線3相聯(lián)。脈沖電源線3接控制器5，并通過控制器5聯(lián)接電源6。骨架1由單節(jié)或兩節(jié)或兩節(jié)以上的多節(jié)椎骨7組成，椎骨7表面和內部有孔隙8；人工肌肉2的兩端分別固定在椎骨7的相鄰孔隙8上，并分別與脈沖電源線4的另一端相聯(lián)接；形變感應器3固定在骨架1上，與控制器5電聯(lián)接。
本仿生運動機構各部分的組成和功能如下所述(一).骨架1骨架1由單節(jié)或任意多節(jié)椎骨7組成，本附圖以四節(jié)椎骨為例以方便示意。椎骨7的材質可為彈性材料，如各種橡膠和高分子聚合物，也可為各種剛性材料，如各種金屬合金。根據仿生學和優(yōu)化設計原理，本發(fā)明所述之彈性椎骨7包括所有任意幾何形狀的條形立方體。此處為了方便示意，各附圖中椎骨7和由椎骨7構成之骨架均用多塊規(guī)則矩形立方體來簡化表示。彈性椎骨7之間用膠粘聯(lián)接，或嵌套聯(lián)接，或其它各種相對固定(允許部分滑動)的聯(lián)結方式。
類似彈性椎骨的設計，根據優(yōu)化設計原理，本發(fā)明所述之剛性椎骨7包括任意幾何形狀的條形立方體。此處為方便示意，各附圖中的剛性椎骨7及由其所構成的骨架被簡化為工字形和T字形兩種典型的外形來表示。剛性椎骨7之間用鉸鏈9聯(lián)接。
椎骨7表面和內部有孔隙8，供人工肌肉2和脈沖電源線3從中通過。附圖所示為兩種典型的孔隙8位置設計示例。本機構設計涵蓋其他各種類型的椎骨7的孔隙8形狀和位置設計。
(二).人工肌肉2如圖5、6、7、8、12、13所示，在本仿生運動機構中，由大量纖維狀記憶合金或電敏聚合材料聚合，人工肌肉2組成任意幾何外形的條狀的人工肌肉束。此處僅為方便示意，在附圖中，所有人工肌肉2均以規(guī)則矩形長條來簡化表示。
每條人工肌肉2的兩端被分別固定在椎骨7的兩處相鄰孔隙8內。每條人工肌肉2的兩個固定端分別與骨架1內通過的脈沖電源線3的兩個端頭聯(lián)接。本發(fā)明所述之設計涵蓋焊接、膠粘、嵌套聯(lián)接、點接觸聯(lián)接、滑動聯(lián)接等各種聯(lián)接方式。每條人工肌肉2的外面都是外包皮，內部由大量纖維聚合而成。
(三).脈沖電源線3如圖1所示，脈沖電源線3是為人工肌肉施加脈沖電壓和電流的電導線，可為任何導體或半導體構成的導電線路。脈沖電源線的一端聯(lián)接控制器5，并通過控制器5與外接電源6(如各類蓄電池)相聯(lián)；另一端與人工肌肉2的一個固定端相連。每條人工肌肉2的兩個固定端分別有一根脈沖電源線3與控制器5相聯(lián)?？刂破?通過兩根脈沖電源線3能完全控制一條人工肌肉束。脈沖電源線3作為現(xiàn)有技術的一部分，在此不作進一步的描述。
(四).形變感應器4形變感應器4是由各種壓電或彈性導電材料制成的標準化形變感應裝置，已經被廣泛運動在各種自動化儀器儀表及設備中。在運動機構中，薄片狀的形變感應器4被固定在骨架1上，如圖1所示。當骨架1發(fā)生形狀改變時，形變感應器4產生相應的電訊號，并通過電導線將訊號傳給控制器5，以使控制器5實時監(jiān)控骨架1形狀的變化情況。形變感應器4作為現(xiàn)有技術的一部分，在此不作進一步的描述。
(五).控制器5控制器5由整流裝置10(或其他各種內置變壓器)、單片機11(或其他各種能記錄控制程序和接受控制信號的裝置)和集成控制電路12組成，如附圖9所示。其功能是通過整流裝置10將外接電源輸入的電壓和電流轉換為適合記憶合金和電敏聚合材料纖維的工作電壓和工作電流，并將工作電壓和工作電流以脈沖的方式按一定的時序通過脈沖電源線3輸出到人工肌肉2，以使人工肌肉2內的記憶合金或電敏聚合材料纖維在此電流的作用下發(fā)生相應的形變。單片機11及其相聯(lián)的集成控制電路12可記錄控制程序，可接受外界輸入的控制信號，可接收處理形變感應器4發(fā)來的電訊號。控制器5可按輸入的程序或控制信號開環(huán)控制脈沖電流的發(fā)生頻率、發(fā)生時序、電壓強弱和電流大小，以此達到控制每條人工肌肉2形狀變化的目的。控制器5也可結合控制程序和形變感應器4的電訊號實現(xiàn)閉環(huán)控制。
(六).電源6本機構設計中的電源6或外接電源為任何能提供電能的裝置或介質，如各類蓄電池、光電轉換器等。電源6作為現(xiàn)有技術的一部分，在此不作進一步的描述。
作為進一步的改進，本發(fā)明中的骨架1可為彈性材料，也可為各種剛性材料。彈性骨架的運動方式與能量轉化原理也可以通過使用剛性骨架來實現(xiàn)。附圖10與附圖11分別以彈性材料的骨架1和T字形椎骨的骨架1為例，示意剛性骨架如何在人工肌肉的形變作用下產生變形。附圖11為剛性骨架內部聯(lián)接設計的一個示例。如前所述，本發(fā)明中的剛性骨架及由其所構成的運動機構涵蓋其他各種根據優(yōu)化設計原理取得的類似的形狀、位置及聯(lián)接方式設計。
參考人體和各種動物的骨骼與肌肉的復雜的組合方式，本機構設計所涵蓋的骨架1與人工肌肉2設計組合方式是多種多樣的。附圖14給出了設計所涵蓋的一種典型的骨骼與肌肉的組合形式，即一節(jié)椎骨7與多條人工肌肉2相連接關系示意圖。在本機構設計中的連接組合方式，可擴展至其他多邊形截面椎骨和多條人工骨肉組合的方式，同時也涵蓋圓柱(圓錐)體與任意多條人工肌肉組合的方式。
同時，本仿生運動機構的應用設計可作如下拓展如前所述，當本運動機構可在空中、地表、地下、水面或水下等介質中產生推力，并驅動整個機構在介質中產生相對運動。為實現(xiàn)這一目的，前述的運動機構設計必須與其他一些應用設計相結合。本專利涵蓋以下所述的各種相關設計示例及其應用。
附圖15、16、17作為本發(fā)明運動結構的具體運用，簡述如下一種實施例，如附圖15所示，本仿生運動機構被置于一外殼13中，以避免運動機構與外界(空中、地表、地下、水面、水下或其他各種介質中)的直接接觸，從而起到保護運動機構內各機械電子部件的目的。根據仿生學和優(yōu)化設計原理，本發(fā)明所述的外殼13涵蓋各種能將全部或部分運動機構包裹在內的任意幾何形狀的殼體(為方便示意，附圖15、16、17所示的外殼均簡化為平面閉合曲線表示)。外殼13的材料可搭配使用各種能起到上述包裹和保護目的的工程材料。
當機構中的人工肌肉2在控制器5的控制下驅動骨架1產生附圖8、10、11所示意的變形時，整個仿生運動機構連同其外殼13就會產生相應的各種曲線狀外形變化。根據流體力學和動物學的研究結果，魚類、蛇類和蚯蚓類動物正是依靠其身體外形的曲線變化來產生推力，從而實現(xiàn)在水中、地表和地下的運動。所以，本運動機構可以在控制器的操縱下模仿動物的外形曲線變化，從而實現(xiàn)在各種環(huán)境中產生運動的目的。
通過如附圖15所示的由一節(jié)(或兩節(jié)或多節(jié))椎骨7組成的運動機構可以模仿魚類的外形變化及運動方式，實現(xiàn)在水中的運動。
第二種實施例，如附圖16、17為通過本仿生運動機構(多節(jié)椎骨組成的彈性骨架)模仿水母外形及運動方式的示例，實現(xiàn)在水中的運動。
本仿生運動機構的工作原理控制器5通過兩根脈沖電源線3對一條人工肌肉2的兩端施加一定強弱程度的電壓和電流，促使該人工肌肉2內的記憶合金纖維或電敏聚合材料纖維產生相應大小的拉伸或緊縮形變。由于人工肌肉2兩端被分別固定在骨架1上椎骨7的兩處孔隙8內，該人工肌肉2的形變就會牽動骨架1上兩個固定點之間的直線距離發(fā)生變化，從而使骨架上的一段或多段椎骨產生彎曲變形。如附圖7、8所示，附圖7為人工肌肉2沒有產生變形時的原始狀態(tài)，而圖8所示為一段椎骨7左側的人工肌肉2被拉抻，同時右側人工肌肉2產生收縮，使該段椎骨7產生相應彎曲變形。
在任意一個時刻，控制器5可以通過多條脈沖電源線3同時向多條人工肌肉2發(fā)生不同強弱程度的脈沖電流，促使骨架1上的多條人工肌肉2在同一時刻產生不同程序的拉伸和收縮形變，以此牽動整個骨架1產生復雜的外形變化。例如附圖10所示機構中，骨架1為彈性骨架，由S1、S3、S6、S8表示的四條人工肌肉處于拉伸狀態(tài)，而由S2、S4、S5、S7表示的另外四條人工肌肉則處于收縮狀態(tài)，因此整個骨架產生變形，整體呈反S形。
在任意一段時間內，控制器5可以連續(xù)向多條人工肌肉2發(fā)出不同頻率、不同強弱、不同時序的脈沖電流，使每條人工肌肉2兩端的電壓和電流不斷變化，從而使整個骨架的形狀在多條人工肌肉束的牽動下不斷產生相應的變化。這一過程中，外接電源輸入的電能被轉化為了材料形變和機構運動的機械能。
機械學和運動學理論已經證明，當本運動機構所設計的骨架被置于空中、地表、地下、水面或水下等介質中時，骨架形狀在控制器控制下的規(guī)律性變化可以在多個方向上產生推力，從而可以驅動整個機構在介質中產生相對運動，即可以把機械能轉化為動能和勢能。
發(fā)明新型仿生運動機構的目的在于利用高科技材料“人工肌肉”的突出優(yōu)點和潛在價值，使之轉化為各種工程領域中可實際利用的新型裝置。
本發(fā)明所展示的新型仿生運動機構正是專門針對人工肌肉的特性而設計的一種全新的機電裝置。為充分利用人工肌肉能屈能伸的形變特點，本發(fā)明運動仿生學的原理，模擬脊椎動物的脊椎骨與肌肉的搭配方式，設計出多種剛性和柔性骨架及其與人工肌肉之間靈活多變的聯(lián)結方式。通過專利說明書所涵蓋的設計思想，這種新型的仿生運動機構完全可以實現(xiàn)像真正的脊椎動物一樣靈活、復雜、機變的運動方式。而這是那些傳統(tǒng)的以電動機驅動的機電裝置所難以實現(xiàn)的。這正是新型仿生運動機構的產生運動、提供動力方面最突出的特性和巨大優(yōu)勢。
除此以外，相對于傳統(tǒng)的以電動機驅動的運動裝置，包括在自動化生產領域(比如汽車裝配流水線、制藥生產線等)中被廣泛應用的各種機器人手臂以及現(xiàn)在熱門研究領域里的仿生機器人，新型的以人工肌肉驅動的仿生運動機構還有非常突出的效率高、體積小、噪音小、無污染等優(yōu)點。
由于本發(fā)明專利的上述特點，此項設計技術可以直接替代以電機驅動的機電裝置，被運用到各種自動化生產領域。除此以外，本專利技術也可以被運用到醫(yī)療、娛樂、工程勘測及軍事領域。比如，用本新型仿生運動機構或以制成假肢并植入人體，幫助殘疾病人恢復肌體運動功能；新型仿生運動機構還可以模擬脊椎動物的運動方式，在水面及水下產生各種靈活、復雜、機變的運動，因而可以被制成仿生的機器魚或機器水母等，運用到大眾娛樂、水下搜救、工程探礦、水下偵查及水下攻擊等各個方面。
權利要求
1.人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，包括脈沖電源線(3)、控制器(5)和電源(6)，控制器(5)的一端與脈沖電源線(3)的一端聯(lián)接，控制器(5)的另一端與電源(6)聯(lián)接，其特征在于還包括骨架(1)、人工肌肉(2)和形變感應器(4)，骨架(1)由單節(jié)、兩節(jié)或兩節(jié)以上的椎骨(7)組成，椎骨(7)表面和內部有孔隙(8)；人工肌肉(2)的兩端分別固定在椎骨(7)的相鄰孔隙(8)上，并分別與脈沖電源線(3)的另一端相聯(lián)接；形變感應器(4)固定在骨架(1)上，與控制器(5)電聯(lián)接。
2.根據權利要求1所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于所述控制器(5)由整流裝置(10)、單片機(11)和集成控制電路(12)組成，相互之間電連接。
3.根據權利要求1或2所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于所述椎骨(7)的材質為彈性材料，椎骨(7)之間用膠粘聯(lián)接，或嵌套聯(lián)接
4.根據權利要求1或2所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于所述椎骨(7)的材質為剛性材料，椎骨(7)之間用鉸鏈(9)聯(lián)接。
5.根據權利要求3所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于所述人工肌肉(2)的材質為記憶合金或電敏聚合材料，人工肌肉(2)的形狀為任意幾何性質的條形立方體。
6.根據權利要求4所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于所述人工肌肉(2)的材質為記憶合金或電敏聚合材料，人工肌肉(2)的形狀為任意幾何性質的條形立方體。
7.根據權利要求5所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于還包括外殼(13)，能將所述的運動機構全部或部分置于外殼(13)內。
8.根據權利要求6所述的人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，其特征在于還包括外殼(13)，能將所述的運動機構全部或部分置于外殼(13)內。
全文摘要
本發(fā)明公開了人工肌肉驅動的新型仿生運動機構，包括脈沖電源線、控制器和電源，控制器的一端與脈沖電源線的一端聯(lián)接，其另一端與電源聯(lián)接；還包括骨架、人工肌肉和形變感應器，骨架由單節(jié)或兩節(jié)或兩節(jié)以上的椎骨組成，該椎骨表面和內部有孔隙；人工肌肉的兩端分別固定在椎骨的相鄰孔隙上，并分別與脈沖電源線的另一端相聯(lián)接；形變感應器固定在骨架上，與控制器電聯(lián)接；本發(fā)明的人工肌肉由記憶合金或電敏聚合材料構成，能以較高的效率將電能轉化為機械能，消除了由電動機驅動所帶來的摩擦損耗和噪音，無污染；效率高、體積??；運用到大眾娛樂、水下搜救、工程探礦、水下偵查及水下攻擊等方面。
文檔編號B25J13/00GK1623742SQ20041008153
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權日2004年12月15日
發(fā)明者張帆 申請人:張帆